這十年，大腦科學的十大進步

①

②

③

④

⑤

　　①華盛頓國家歷史博物館展出的人類基因組女性模特。

　　②用艾倫研究所的大腦資源管理器軟體製作的可視化虛擬纖維束成像——來自不同大腦皮層區域的皮層連接物3D效果圖。

　　③斯坦福大學開發的光遺傳學工具技術——在老鼠大腦中植入纖維和光敏分子。

　　④大鼠腦星形膠質細胞染色細胞。

　　⑤在視網膜定位的電極陣列。

　　科學家、作家裡奧·沃特森說過：「如果大腦像我們理解的那麼簡單，人類會不可思議的簡單，但這是不可能的。」

　　混沌的數以億計的電脈衝神經元網路困擾了科學家幾個世紀，然而，在過去10年中，我們對這個神秘的器官有著爆炸性的理解，診斷技術和分子生物學技術的驚人進步，已經向人們展示了大腦的複雜性，而科學家剛剛開始分析，它們是如何轉化成日常行為甚至疾病的。

　　「我真的為五年前退休的人感到遺憾。」加利福尼亞大學舊金山分校的神經學家米歇爾·史崔克感嘆道，「神經科學現在已經與之前完全不同了。」

　　在此次十周年紀念活動中，《科學美國人》「思維頻道」回顧、梳理了十項大腦研究領域的重大成就及各自的意義和貢獻。

　　1.神經遺傳學

　　診斷神經系統疾病僅僅開始於20年前，醫生需要進行昂貴的或者侵入性的治療程序，比如腦部掃描、脊椎穿刺或者活組織檢查等。有遺傳性疾病的兒童的父母經常擔心，下一個孩子是否也會有相同的遺傳異常。

　　如今，許多這樣的評估包括選擇退化疾病、癲癇症和運動障礙等，都可以用快速簡便的血液測試進行診斷。這些評估得益於人類基因組計劃（Human Genome Project），該計劃在2001年完成基因測序並繪製了人類基因圖譜，測序技術允許科學家幫助公眾提升對神經和精神疾病遺傳途徑的理解。

　　雖然另外一些研究尚未取得診斷性測試結果，但仍為繼續解決幾個面臨挑戰的領域創造了良好的氛圍。科學家已經開始反觀存在於精神分裂疾病、阿爾茨海默病、抑鬱症和自閉症患者血液中的少數基因物質。

　　對一系列與疾病有關聯的基因的迅速鑒別，在未來將有助於我們轉變確認和治療大腦功能紊亂的方法。

　　2.大腦地圖

　　慈善家保羅·艾倫聚集了一批專家，他們在本世紀初懷揣著同一個崇高目標——理解人類的大腦是如何工作的。在已完成的人類基因組計劃的基礎上，他們於2003年成立了艾倫腦科學研究所，總部設在西雅圖。

　　該組織開始繪製老鼠大腦中的區域基因活性，並將結果彙集到在線資料庫或在線圖譜，現在，他們的數據中還包括人類和非人類靈長類動物的數據結果。免費的、全面的基因活性圖譜能幫助研究者驅動小鼠表達出特定細胞類型，或發現與某些疾病或行為相關的基因。

　　目前，該研究所繼續建設圖譜，近期啟動了一個十年計劃，該計劃不僅能檢驗特殊基因表達活性的位置，還能測試那些基因迴路如何將大量信息流加工後輸入大腦。

　　美國總統奧巴馬宣布的「白宮大腦計劃」的主要參與者國家健康研究中心剛剛獲得了一個8700萬美元的項目經費投入，用於研究老鼠和人類大腦數以兆億次的神經連接。該計劃的最終目標是改進我們處理大腦疾病和功能紊亂的方法。

　　3.可塑的大腦

　　長久以來，科學家認為成人的大腦是一個相對靜態的器官；大約15年前，他們認為大腦在嬰兒期和兒童期是高度可塑的但此後難以改變了。儘管大腦在生命早期是最可塑的，「但這十年的真正新意在於，對成人可塑性的大範圍鑒識、認知和探索。」史崔克說。

　　一個叫做「動動腦」的公司發明了大腦訓練軟體，像「任天堂遊戲公司」出品的「大腦柔性訓練補習班」等熱門遊戲已經滲透到流行文化中。歐普拉雜誌如今也在給出如何「提升」你的大腦並讓它「更聰明」的問題上給出提示。

　　美國國家衛生研究院的資深研究員R·道格拉斯·菲爾茨，將之歸功於更好的成像技術的出現，以及標記細胞使其發出熒光的新方法，這兩項技術讓觀察學習新信息時的大腦成為可能。「正是能看到實驗動物大腦內部細胞運行和活動的這種能力，揭示了可塑性的機制機理。」他說。

　　4.知道我們的位置

　　科學家一直在尋找我們與生俱來的從一個地方到另一個地方的導航能力。1971年英國倫敦大學的約翰·奧基夫邁出了破譯它的第一步——他發現當動物在一個特定位置時，一種「位置細胞」神經元能發光。這種細胞位於海馬區，這一區域是大腦儲存記憶的重要位置，看起來解釋了我們的空間推理能力。

　　2005年，來自挪威大學科技學院的科學家夫婦梅-布里特和愛德華·莫澤增加了一項新的發現：在附近的內嗅皮層存在的「網格細胞」。當嚙齒動物在一個盒子周圍運動的時候，通過檢測個體腦細胞的電活動，他們確定了有一種網格狀模式存在的細胞類別，能夠跟蹤動物的新位置。這種「網格細胞」與「位置細胞」共同作用，能告訴動物它們位於何處。

　　「這個發現是單個大腦活動記錄歷史上，最為顯著的成就。」在2007年為一篇科學美國人思維頻道撰寫文章時，德克薩斯大學醫學院神經生物學教授詹姆斯·尼里姆這樣寫道。

　　上述三位科學家在今年10月份榮獲2014年度生理或醫學諾貝爾獎。

　　5.關於記憶的趣事

　　大腦最神秘之處在於，我們一直無法確定究竟什麼是記憶，也就是說，神經迴路究竟如何儲存一個特定往事。在過去的十年中，我們獲知了有關記憶局限的很多知識。

　　紐約大學神經科學中心的神經學家安迪·芬頓說，記憶並不像紙上墨水那樣被寫進我們的大腦，想像一下，它們像被刻進黏土那樣，每次再提取這個記憶，正如你要撿起這個黏土板卻用手指碰到了它的表面一樣，有些信息會變得模糊起來。

　　更進一步，我們的意識設置和個人情感，能夠影響到我們重視並記住的往事。科學家正在擺弄一些實驗用的化學物品，一旦注射，能干擾記憶形成的蛋白質並清除特定的不良感受，比如癮君子對毒品的渴望。

　　研究人員甚至已經能夠戲弄老鼠，使其形成完全錯誤的記憶。記憶的形成和回憶是一個不斷發展的、積極的和可塑的過程，很多不同的大腦區域共同工作，科學家剛開始將他們綜合研究，研究它們究竟是如何拼湊成如此精密機器的。

　　6.治療方法的進展

　　一連串針對意識—身體連接的治療技術在過去十年得到關注。特別值得注意的是認知行為療法（CBT），這種談話治療能檢驗一個人的想法和感受如何影響行為，然後介紹一些阻止不良想法的策略。

　　馬里蘭大學臨床心理學家瑪麗·阿佛德說，認知行為療法最初在上世紀六七十年代出現的時候，通常主要用來治療恐懼症和焦慮症。從那之後的十年中，認知行為療法被擴展到更廣泛的嚴重疾病。2012年對100個研究進行的數據分析報告發現，認知行為療法不僅對焦慮症達到科學合理的戰略治療，還能應對貪食症、憤怒、壓力和心理疾病導致的疼痛。

　　另一些行為治療術在人群中頗為流行，包括鼓勵參與者與當下時空和諧相處正念冥想療法，以及辯證行為療法等。後者的治療方法是在認知行為療法基礎上發展而來，並針對嚴重精神健康問題比如自殺想法等加入了新的策略，重點強調情緒的調節。

　　阿佛德希望那些治療方案有一天會與藥品同樣有效，「藥品可不會改變你的生活方式或者教你更好地與其他人相處。」阿佛德說，「這些治療方法是一種更具正能量，他們能給人們希望。」

　　7.光遺傳學技術的撬動

　　當斯坦福科學家在2005年展示了一項能用光控制單個神經元開關的技術時，所有人都被震驚了。「這顛覆了一切。」史崔克說。

　　在光遺傳學標準以前，激活和沉默神經網路的方法比較粗糙。「你並不知道你在刺激哪些細胞。」他解釋說。比如說，為了探測究竟哪些特定系列的神經幫助老鼠在迷宮中導航，科學家在大腦組織中插入電極片，並同時刺激數以千計的神經元。

　　現在科學家能夠將光敏分子塞入特定的大腦細胞，來控制那些被選出來的神經類型或網路。閃亮的光能讓那些神經元或多或少地活動，並能標示它們在行為或疾病中的特殊作用。

　　光學遺傳學的發明者之一艾德·博伊登在今年11月《科學美國人》思維頻道的一篇文章中介紹，世界範圍內的神經科學實驗室如今都在使用這一技術，「在過去的十年中，數以百計的研究組都用光遺傳學技術來探索不同的神經元如何對行為、感知和認知產生作用。」

　　8.膠質細胞的新角色

　　膠質細胞的口碑不佳。它們並不像神經元那樣傳遞電信號，一個世紀以來科學家忽略了大量存在的這類大腦細胞，只將它們當作維護日常工作的包裹物質來對待。

　　「與讓人興奮的神經元相比，它們被認為是不重要和枯燥乏味的。」美國國家衛生研究院的菲爾茨說。

　　然而，新的成像方法最終為科學家進一步探索這些大腦細胞創造了機會，他們發現神經膠質對於包括記憶和學習能力在內的大腦核心功能起到了關鍵作用。

　　「這是一個新的前沿陣地。它們與神經元截然不同，甚至更加複雜和多樣。」他說，「它們與神經元作用不同的這一事實，意味著我們需要進一步理解它們。」

　　9.神經植入裝置

　　當損傷、疾病或中風損傷了大腦的重要組成部分，神經植入可能成為重置丟失功能的唯一選擇。上世紀八十年代，人工耳蝸裝置的植入成功，第一次讓大腦植入裝置獲得了更廣泛的使用。

　　在過去的十年中，它們的質量因為半導體技術的發展得到了極大程度的提升，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的生物工程中心主任塞丁德帕爾·班奴說。

　　現在，一個視網膜植入工程承諾，要像人工耳蝸植入為數百萬人帶去聽力那樣，為人類帶來視覺享受。2011年第一個人工視網膜警惕植入通過了臨床試驗，並於2013年上市，為退行性眼病患者帶來福音。

　　其他的植入治療，比如深腦刺激和迷走神經刺激術等，為其他頑固性大腦障礙如帕金森和癲癇的病人帶來希望。最近研究者探索將這些技術應用於重症抑鬱症、強迫性神經官能症、成癮痛苦治療中。

　　目前，神經植入能改變大腦目標區域的電活動，班奴預測它的未來版本也會釋放化學物質來解決失衡導致的抑鬱症等疾病。

　　10.決策制定

　　作出選擇可能是一個包含焦慮在內的努力過程。有些時候，簡單的比如早晨起來選擇穿什麼衣服的行為都會讓一個人陷入困境。在過去的十年中，很多書籍和數以百計的研究文章試圖弄清影響我們作出決定的因素，但是到目前為止，還沒有比心理學家和諾貝爾獎得主丹尼爾·卡尼曼2011年發表的《快思慢想》更有影響力。

　　他通過數十年對認知偏差的工作，總結並推廣了這樣一個概念——人類的大腦在確定行動方針時具有兩種不同的工作機制：自動的、無意識的思考方式被稱作「系統1」，另一個更深思熟慮的方式被稱為「系統2」。系統1能像從超速行駛的摩托車上跳出來那樣快速反應，而系統2則幫我們解決複雜的數學或倒數字母表那樣的問題。

　　通過提醒我們關注大腦的優勢和劣勢，卡尼曼幫助讀者避開常見錯誤並做出更好的選擇。審閱者葛蘭·達庫珀在《每日電訊報》評價這本書：「這本書銷售逾百萬冊，被奉為社會學思想的『名著』和『里程碑』書籍，卡尼曼本人被尊為『最具影響力的在世心理學家』。」

推薦閱讀：